[发明专利]有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种用于农药残留量检测的生物传感器及其制备方法。

背景技术

有机磷农药是一类磷酸酯类、硫代磷酸酯类或者磷酰胺酯类的有机化合物，具有种类多、毒性高、环境持续性低等优点，已取代传统的有机氯农药广泛应用于农业和其他领域，对抑制农作物病虫害发生起到了重要作用。但是随着这类农药的长期广泛使用，有机磷农药残留在环境中，对对人体及生态环境的潜在危害引起人们的极大关注，由农药而引发的健康损害、生态恶化、食品污染等事件频频发生。因此开发一种快速、准确、高灵敏的检测方法实现对农药残留量分析检测显得尤为重要。

目前有机磷农药检测中,比较标准的方法就是气相色谱和液相色谱两类方法，尤其是气相色谱－质谱联用或者液相色谱－质谱联用，可以同时检测多种有机磷农药成分，很多农药的检测限已经达到了10^－9数量级，但是这种方法依赖昂贵的检测设备,需要有专业的技术人员,检测费用也很昂贵,只能在专业的实验室完成,无法在现场广泛推广使用。

酶生物传感器是一种以酶作为生物敏感元件，利用光、电等信号反映酶与被检测物质（底物）相互作用的新型传感器。由于酶具有高度的专一性和高效性，酶生物传感器在分析检测中具有很强的特异性和高灵敏性。在有机磷农药农药检测中，乙酰胆碱酯酶（或丁酰胆碱酯酶）是生物传感器中研究最为广泛的一类酶试剂。乙酰胆碱酯酶的天然底物是乙酰胆碱，有机磷农药与乙酰胆碱具有竞争关系，当有机磷农药与乙酰胆碱酯酶结合后，形成了结构更加稳定的酶复合物，进而抑制了乙酰胆碱酯酶分解乙酰胆碱的能力，乙酰胆碱酯酶受有机磷农药和氨基甲酸酯类农药抑制效率与其浓度之间存在一定的线性关系，由此可以实现对有机磷农药的检测。但是该方法是基于间接法，以有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的抑制状况监测有机磷农药，因此酶会受到抑制甚至失活，另外在检测时还需要加入特定酶底物（乙酰胆碱或者硫代乙酰胆碱等），增加了检测步骤。有机磷水解酶水解有机磷农药，直接产生含磷有机酸和酯，该方法直接以被检测物质为酶底物，操作简便，同时酶活性不受到抑制。

另外目前研究的多种农药残留量检测用的生物传感器检测极限还无法满足要求，检测限最好的能达到10^－6数量级，而在传统的实验室检测极限甚至可以达到10^－9数量级，随着人们对环境检测灵敏度要求越来越高，如何开发灵敏度更高的生物传感器就具有重要意义。

本发明提供的以硅纳米线为沟道的场效应管纳米生物传感器是一种新型的生物传感器，由于硅纳米线具有极大的比表面积，沟道内载流子分布情况对沟道表面电荷分布非常敏感，因此可实现超灵敏的快速检测。另外由于硅纳米线沟道场效应管是基于大规模集成电路工艺，可以大规模批量生产，从而降低了这种生物传感器的的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测灵敏高、速度快、成本低的用于农药残留量检测的生物传感器及其制备方法。

本发明提供的农药残留量检测用生物传感器，以半导体硅纳米线为基础构建的场效应管（FET）为转换器（transducer），以有机磷水解酶为生物敏感元件，实现对有机磷农药高灵敏检测。该生物传感器的结构包括：以硅纳米线作为沟道制作成的具有背栅结构的场效应管（FET），硅纳米线两端沉积有金属，构成源极和漏极，而源极和漏极通过导线引到传感器边缘，用于检测。为了实现液体样品检测，源极和漏极及导线都沉积有钝化层（如二氧化硅），起到绝缘作用。硅纳米线表面通过化学修饰方法固定上有机磷水解酶。用PDMS制作的储样池覆盖硅纳米线上方，并与场效应管键合。 检测时，将检测样品注入储样池，与硅纳米线表面的生物酶相互作用，改变硅纳米线表面pH的环境，从而改变场效应管的电导特性，实现对有机磷浓度的检测。

本发明中，通过自上而下的半导体工艺技术，在绝缘体上硅（SOI，silicon-on-insulator）上制作硅纳米线（其直径为几十到几百纳米，一般为30—300纳米），并且这种硅纳米线由离子注入方法掺杂III族或者V族元素的离子，形成具有半导体功能的纳米线；以此硅纳米线为沟道制作成具有背栅结构的场效应管（FET）。然后对此硅纳米线沟道表面进行化学修饰，连接上有机磷水解酶。

在进行生物传感检测时，在有机磷水解酶作用下样品中有机磷被水解，水解产生含磷有机酸，酸性物质导致沟道表面的pH值发生改变，沟道表面修饰有伯胺，pH值的改变沟道表面电荷分布，从而进一步影响着场效应管沟道（即硅纳米线）中载流子分布，改变了纳米场效应管的电学特征，这种电学特征的改变和pH有一定的相关性。